DE3706833A1

DE3706833A1 - Verfahren zur fabry-perot-spektroskopie und mit diesem verfahren arbeitendes spektroskop

Info

Publication number: DE3706833A1
Application number: DE19873706833
Authority: DE
Inventors: Mikichi Ban; Osamu Kakuchi; Hironori Yamamoto; Masaru Ohtsuka; Osamu Shiba; Kazuhiko Hara
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-03-04
Filing date: 1987-03-03
Publication date: 1987-09-10
Also published as: US4850709A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fabry- Perot-Spektroskopie sowie ein mit diesem Verfahren arbeitendes Fabry-Perot-Spektroskop und insbesondere auf ein Fabry-Perot-Spektroskopieverfahren sowie -Spektroskop mit einem hohen spektroskopischen Auflösungsvermögen, indem ein Mehrfachwellenlängen-Lichtstrahl durch eine Fabry-Perot-Interferenzplatte mehrere Male geschickt wird, um ein Intervall zwischen benachbarten Wellenlängen des zu spektroskopierenden Lichts zu erweitern.

Unter den verschiedenen Spektroskopieverfahren ist das Fabry-Perot-Spektroskopieverfahren seit langer Zeit als ein solches, das ein hohes Wellenlängenauflösungsvermögen hat, bekannt.

Die beigefügte Fig. 1 zeigt das grundsätzliche Prinzip des Fabry-Perot-Spektroskopieverfahrens (wobei in der folgenden Beschreibung der Einfachheit halber "Fabry- Perot" mit "F-P" abgekürzt wird).

Gemäß Fig. 1 kommen bei dem F-P-Spektroskopieverfahren zwei Glasplatten 2 und 4, auf denen jeweils eine hochreflektierende Schicht 1 bzw. 2 ausgebildet ist, zur Anwendung, wobei die beiden Glasplatten parallel zueinander mit einem Abstand h (Luftplatte) angeordnet sind, so daß eine F-P-Interferenzplatte gebildet wird, auf die Licht 5 einfällt und aus der Licht 6 austritt.

Spektroskopisch übertragenes Licht 6, das erzeugt wird, wenn das verschiedene Wellenlängen aufweisende einfallende Licht auf die F-P-Interferenzplatte unter einem vorbestimmten Einfallswinkel gelangt, wird durch die folgende Formel dargestellt. Der Durchlaßgrad T, der ein Verhältnis der ausfallenden Lichtintensität I ^(t) zur einfallenden Lichtintensität I ⁽ⁱ⁾ einer Wellenlänge λ _o ist, ist

worin ist:
n′ ein Brechnungskoeffizient eines Mediums
R ′ ein Brechungswinkel im Medium n′
R ein Reflexionskoeffizient der hochreflektierenden Schichten 1 und 2
(s. "Principle of Optics", 3rd Edition, M. Born und E. Wolf, Pergamon Press, 1965, Seite 327).

Wenn der Abstand h und der Brechungswinkel R ′ konstant sind, so gilt der in Fig. 2 gezeigte Durchlaßgrad T für die Wellenlängen λ _N-1, λ _N und λ _N+1. Wie sich aus der Beziehung (1) ergibt, ist T eine periodische Funktion von δ. Wenn in der Gleichung (2) δ = 2 π N ist, wobei N eine ganze Zahl ist, so ist T auf einem Maximum und wird das Licht mit der Wellenlänge λ ₀ = λ _N durchgelassen.

Falls n′ = 1 ist, so kann die Gleichung (2) umgeschrieben werden zu

und das ausfallende Licht λ _N ist gegeben durch

Wenn h = 10 mm und R ′ = 0° ist, so ist λ _N durch die Tabelle 1 gegeben.

Tabelle 1

Ist h = 1,6 · 10^-3 mm und R ′ = 0°, so ist λ _N durch die Tabelle 2 gegeben.

Tabelle 2

Wie zu erkennen ist, ändert sich das Intervall zwischen benachbarten Wellenlängen mit dem Abstand h erheblich. Beispielsweise ist das Intervall zwischen den Wellenlängen 0,0000 125µm (= 0,0125 nm) in der Tabelle 1 und 0,07 619µm (Unterschied zwischen den Wellenlängen für N = 6 und N = 7) in der Tabelle 2.

Ein Wellenlängenauflösungsvermögen ist durch die Feinheit gegeben, die ein Verhältnis des Unterschieds zwischen benachbarten Wellenlängen und einer Halbamplitudenbreite Δ g _N ist, d. h., die Feinheit F ist gegeben durch

Die Feinheit F wird durch F′ in der Gleichung (3) und F wird durch einen Reflexionskoeffizienten R bestimmt, d. h., der Reflexionskoeffizient R legt die Feinheit F fest.

Wenn beispielsweise R = 0,95 ist, so ist F = 61,2. Ist der Abstand h = 10 mm, so ist das Wellenlängenauflösungsvermögen 0,0125 µm/61,2 = 0,0002 nm. Ist der Abstand h = 1,6 · 10^-3 mm, so ist das Auflösungsvermögen 0,07 619(µm)/61,2 = 0,0012 µm = 1,2 nm. In jedem Fall ist das Auflösungsvermögen sehr hoch. Andererseits ist das Intervall zwischen den benachbarten Wellenlängen klein und das Wellenlängenband des Spektroskops eng.

Um das oben angesprochene Problem zu lösen, wird gemäß Fig. 3 das Spektroskop mit einem anderen Spektrometer (Prismen-Spektrometer) kombiniert, so daß eine spezifische Wellenlänge mit einem hohen Auflösungsvermögen zu messen ist (s. "Principles of Optics", a.a.O., Seite 336).

Die Fig. 3 zeigt eine Lichtquelle 7, ein Kollimotorobjektiv 8, eine F-P-Interferenzplatte 9, ein Fokussierobjektiv 10, eine Blende 11, ein Kollimatorobjektiv 12, ein Prisma 13, eine Fokussierlinse 14 und eine Betrachtungsebene 15.

Ein von der Lichtquelle 7 ausgesandtes Licht wird vom Kollimatorobjektiv 8 kolliminiert, durch die F-P-Interferenzplatte 9 spektroskopiert und durch das Fokussierobjektiv 10 an der Blende 11 fokussiert. Das außerhalb der optischen Achse befindliche Licht wird durch die Blende 11 blockiert und das übrige Licht wird erneut durch das Kollimatorobjektiv 12 kollimiert, dann durch das Prisma 13 geführt, wobei der Austrittswinkel mit der Wellenlänge verändert wird, und schließlich durch die Fokussierlinse 14 an der Betrachtungsebene 15 fokussiert, auf der die Brennpunkte für die individuellen Wellenlängen örtlich voneinander getrennt sind. Auf diese Weise werden die benachbarten Wellenlängen getrennt.

Bei diesem Verfahren ist es jedoch notwendig, ein anderes Spektroskopieverfahren, nämlich das Prismen-Spektroskopieverfahren anzuwenden, und es ist erforderlich, eine mühsame Ausfluchtung der optischen Achsen und eine Aberrationskorrektur vorzunehmen, um die Spektrometer einander anzupassen.

Demzufolge ist ein praktisches F-P-Spektroskopieverfahren auf eine Messung eines Längsschwingungstyps eines Laserstrahls mit einem schmalen spektralanalytischen Band oder Gebiet begrenzt.

Es ist insofern die Aufgabe der Erfindung, ein Fabry- Perot-Spektroskopieverfahren anzugeben und ein Fabry- Perot-Spektroskop zu schaffen, wobei ein breites Spektroskopie- Wellenlängenband und ein breites Intervall zwischen benachbarten Wellenlängen ohne das Erfordernis der Anwendung eines anderen Spektroskopieverfahrens geboten werden.

Um das zu erreichen, umfaßt das Verfahren gemäß der Erfindung den Schritt des Richtens eines Lichtstrahls unter einem ersten Brechungswinkel auf eine erste Fabry- Perot-Interferenzplatte und den Schritt des Richtens eines durch die erste F-P-Interferenzplatte durchgelassenen Lichtstrahls auf eine zweite Fabry-Perot-Interferenzplatte unter einem zweiten Brechungswinkel.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung tritt durch geeignete Wahl eines Abstandes h zwischen der ersten sowie zweiten F-P-Interferenzplatte und eines ersten Brechungswinkels R ₁ ′ sowie eines zweiten Brechungswinkels R ₁ ′ als Wellenlängen-Auswahlparameter eine Interferenz auf und wird eine Wellenlänge des durchgelassenen Lichts unter Verstärkung spezifiziert. Demzufolge wird nur die spezifizierte Wellenlänge spektroskopiert und das nutzbare Wellenlängenband erweitert.

Wenn die erste sowie zweite F-P-Interferenzplatte dieselben sind, so kann die obige Funktion mit einer kompakten Konstruktion erreicht werden.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt das F-P-Spektroskop Fabry-Perot-Interferenzplatten, Steuereinrichtungen zur Veränderung des Abstandes zwischen diesen F-P-Interferenzplatten, eine erste optische Einrichtung, um einen Lichtstrahl auf die F-P-Interferenzplatte unter einem ersten Brechungswinkel zu richten, und eine zweite optische Einrichtung, um den von der F-P-Interferenzplatte ausfallenden Lichtstrahl auf die F-P-Interferenzplatte unter einem zweiten, zum ersten Brechungswinkel unterschiedlichen Brechungswinkel zu richten.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung weist das F-P-Spektroskop zwei lichtdurchlässige Platten auf, die jeweils eine reflektierende Schicht, welche eine bestimmte Menge eines auf ihr ausgebildeten Lichts durchläßt, tragen und die so angeordnet sind, daß die reflektierenden Schichten einander zugewandt sind. Bei wenigstens einer der beiden lichtdurchlässigen Platten ist eine zur reflektierenden Schicht entgegengesetzt liegende Ebene zur reflektierenden Schicht nicht parallel und mit einer teildurchlässigen Schicht ausgestattet.

In Übereinstimmung mit einem noch anderen Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt das F-P-Spektroskop Fabry- Perot-Interferenzplatten, eine Steuer- oder Regeleinrichtung, um einen Abstand zwischen diesen F-P-Interferenzplatten zu verändern, eine erste optische Einrichtung, die einen Lichtstrahl auf die F-P-Interferenzplatte unter einem ersten Brechungswinkel leitet, eine zweite optische Einrichtung, um den von der F-P- Interferenzplatte durchgelassenen Lichtstrahl auf die F-P-Interferenzplatte unter einem zum ersten Brechungswinkel verschiedenartigen zweiten Brechungswinkel zu richten, und eine einen Raum für die F-P-Interferenzplatten gegen die äußere Umgebung abschließende Abdichtungseinrichtung, wobei dieser abgedichtete Raum mit einem die F-P-Interferenzplatten schützenden Gas gefüllt ist.

Weitere Ziele wie auch die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, wobei räumliche Angaben als auf die jeweilige Figur bezogen zu verstehen sind, deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch das grundsätzliche Prinzip des Fabry-Perot-Spektroskopieverfahrens;

Fig. 2 den spektroskopischen Durchlaßgrad eines F-P- Spektroskops;

Fig. 3 ein F-P-Spektroskop nach dem Stand der Technik;

Fig. 4 ein Spektroskopieprinzip bei dem erfindungsgemäßen F-P-Spektroskopieverfahren;

Fig. 5 eine Ausführungsform für ein F-P-Spektroskop gemäß der Erfindung;

Fig. 6 ein Diagramm der durchgelassenen Wellenlänge λ (Abszisse) gegenüber einem Abstand h der Interferenzplatten (Ordinate) mit einer Ordnung N ₁ (ausgezogene Linie) bei einem Brechungswinkel R ₁ ′ = 0° und einer Ordnung N ₂ (gestrichelte Linie) bei einem Brechungswinkel R ₁ ′ = 36,87°, die Parameter bei dem erfindungsgemäßen Spektroskopieverfahren darstellen;

Fig. 7, 8 und 9 weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen F-P-Spektroskopen;

Fig. 10 und 11 Fabry-Perot-Spektroskope in noch anderen Ausführungsformen gemäß der Erfindung.

Zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung zeigt die Fig. 4 eine F-P-Interferenzplatte 17, ein erstes einfallendes Licht 40, ein zweites einfallendes Licht 41, Umlenkspiegel 42 sowie 43 und spektroskopiertes, durchfallendes Licht 45.

Bei dem F-P-Spektroskopieverfahren gemäß der Erfindung wird Licht wenigstens zweimal auf dieselben oder unterschiedliche F-P-Interferenzplatten 17 gelenkt, um nur eine vorbestimmte Wellenlänge durchzulassen, d. h., das erste einfallende Licht 40 wird zu F-P-Interferenzplatten 17, die einen Abstand h haben, unter einem Brechungswinkel R ₁ ′ gerichtet, und das durchfallende Licht (zweites einfallendes Licht 41) wird wiederum durch die Umlenkspiegel 42 sowie 43 zu den F-P-Interferenzplatten 17 unter einem zweiten Brechungswinkel R ₂ ′ geleitet. Als Ergebnis dessen werden benachbarte Wellenlängen eliminiert, und es wird das Licht 45 einer spezifischen Wellenlänge erhalten.

Wenn beispielsweise der Abstand h = 1,6 µm ist und der erste Brechungswinkel R ₁ ′ = 0° ist, so werden fünf Wellenlängen im Wellenlängenbereich von 0,4 - 0,8 µm übertragen, wie die Tabelle 2 zeigt. Wenn das zweite einfallende Licht 41 unter dem zweiten Brechungswinkel R ₂ ′ = 36,87° angewendet wird, so werden die Wellenlängen von Tabelle 3 im Wellenlängenbereich von 0,4 - 0,8 µm übertragen.

Tabelle 3

Aus einem Vergleich mit der Tabelle 2 wird deutlich, daß lediglich die Wellenlänge von 0,64 µm, die N = 4 entspricht, mit λ _N von Tabelle 2 übereinstimmt. Demzufolge wird nur die spezifische Wellenlänge 0,64 µm im Wellenlängenbereich von 0,4 - 0,8 µm spektroskopiert und der nutzbare Wellenlängenbereich erweitert.

Die Fig. 6 zeigt ein Diagramm, in dem die durchgelassene Wellenlänge λ (Abszisse) gegen den Abstand h der Interferenzplatten 17 (Ordinate) aufgetragen ist, und zwar mit einer Ordnung N ₁ (ausgezogene Linie) bei einem Brechungswinkel R ₁ ′ = 0° und einer Ordnung N ₂(gestrichelte Linie) bei einem Brechungswinkel R ₁ ′ = 36,87°, die Parameter sind. Die gestrichelte Linie sowie die ausgezogene Linie fallen nur dann zusammen, wenn N ₁ = 5 und N ₂ = 4 ist, wenn der Abstand h zwischen 1,0 - 2,0 µm beträgt und wenn die Wellenlänge zwischen 0,4 -0,8 µm liegt.

Demzufolge kann, wenn der Abstand h fein sowie kontinuierlich zwischen 1,0 -2,0 µm mittels eines piezoelektrischen Elements verändert wird, Licht von 0,4 - 0,8 µm kontinuierlich spektroskopiert werden.

Die Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines F-P-Spektroskops, das das erfindungsgemäße F-P-Spektroskopieverfahren anwendet.

In Fig. 5 sind dargestellt: eine ein zu spektroskopierendes Licht aussendende Lichtquelle 20, ein Kollimatorobjektiv 21, ein Feinantrieb 22, wie z. B. ein piezoelektrisches Element, die F-P-Interferenzplatte 17, Umlenkspiegel 23, 24 sowie 25, eine Leuchtdiode, ein Kollimatorobjektiv 28, eine Kondensorlinse 29 und ein lichtelektrischer Wandler 30.

Das von der Lichtquelle 20 ausgehende Licht wird durch das Kollimatorobjektiv 21 kollimiert und unter einem vorbestimmten Brechungswinkel R ₁ ′, z. B. von 36,87°, zum F-P-Interferenzspektroskop geleitet, das aus zwei Interferenzplatten 17 besteht. Die Platten 17 weisen lichtdurchlässige Spiegel mit einem hohen Reflexionskoeffizienten auf, die parallel und einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei ein vorbestimmter Abstand zwischen den Platten 17 mit Hilfe eines piezoelektrischen Elements eingehalten wird. Der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Ebenen ist zwischen 1,0 µm und 2,0 µm veränderlich. Der durch die F-P-Interferenzplatten 17 durchgelassene Lichtstrahl wird durch die Umlenkspiegel 23, 24 sowie 25 mehrere Male reflektiert und wieder auf die F-P-Interferenzplatten 17 unter einem vorbestimmten Brechungswinkel R ₂ ′ von beispielsweise 0° gerichtet, wie Fig. 5 zeigt. Das spektroskopierte, durchgelassene Licht wird durch die Kondensorlinse 26 konzentriert, so daß das Licht von der Lichtquelle 20 spektroskopiert wird.

Was hier von besonderer Bedeutung ist, das ist die Regelung (Steuerung) und die Einhaltung des Abstandes zwischen den F-P-Interferenzplatten 17. Zum Zweck dieser Regelung und Einhaltung des Abstandes sind die Lichtquelle 27 mit einer Wellenlänge, die übertragen wird, wenn der Abstand zwischen den F-P-Interferenzplatten 17 einen bestimmten Wert hat und das Licht unter einem vorbestimmten Brechungswinkel gerichtet ist, und die optischen Systeme 28 sowie 29, die das Licht zu einem Erfassungssystem 30 zur Ermittlung des Bezugsabstandes leiten, vorgesehen. Das von der Lichtquelle 27, z. B. einer Leuchtdiode, ausgesandte Licht wird durch das Kollimatorobjektiv 28 kollimiert und dann unter einem vorbestimmten Brechungswinkel zu den F-P-Interferenzplatten 17 geleitet, worauf das ausfallende Licht duch die Kondensorlinse 29 auf den lichtelektrischen Wandler 30 fokussiert wird. Somit wird der Abstand zwischen den F-P- Interferenzplatten 17 in Übereinstimmung mit einem Ausgang vom lichtelektrischen Wandler 30 kontrolliert.

Wenn beispielsweise eine Schwerpunktwellenlänge der Leuchtdiode 27 gleich 0,65 µm und der Brechungswinkel gleich 45° ist, so wird das Licht übertragen, wenn der Abstand 2,298 µm (Ordnung N = 5) oder 1,83 µm (Ordnung N = 4) oder 1,379 µm (Ordnung N = 3) oder 0,919 µm (Ordnung N = 2) ist. Demzufolge kann durch Einregeln und Halten des Abstandes h auf einen bzw. einem dieser Werte von dem von der Lichtquelle 20 ausgesandten Licht das Licht der gewünschten Wellenlänge präzis spektroskopiert werden.

Gemäß der Erfindung wird das Licht wenigstens zweimal zu den F-P-Interferenzplatten 17 gelenkt. Das Wellenlängenauflösungsvermögen wird gegenüber dem Stand der Technik ganz bedeutend verbessert, weil durch dieses zweimalige Lenken des Lichts die Halbamplitudenbreite Δ λ _N vermindert wird, so daß das durch den Unterschied zwischen benachbarten Wellenlängen und die Halbamplitudenbreite Δ λ _N bestimmte Auflösungsvermögen gesteigert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, vielmehr können verschiedene Abwandlungen vorgesehen werden.

Bei der erläuterten Ausführungsform wird das Licht zweimal zu den F-P-Interferenzplatten unter verschiedenartigen Brechungswinkeln gerichtet; es kann jedoch auch mehr als zweimal dorthin gerichtet werden.

Im Vergleich mit dem Fall, wobei der Lichtstrahl zweimal zur F-P-Interferenzplatte gerichtet wird, um den ersten durchgelassenen Lichtstrahl (Ordnung 5) und den zweiten durchgelassenen Lichtstrahl (Ordnung 4) zu erlangen, wird beispielsweise, da der zweite durchgelassene Lichtstrahl auf die unterschiedliche F-P-Interferenzplatte unter einem Winkel von 51,13° gerichtet wird, in einem anderen Fall (der dritte durchgelassene Lichtstrahl liegt mit der Ordnung 3 vor) der Zustand eines Zusammenfallens (einer Koinzidenz) schwererwiegend. Insofern ist es besser, einen Schutz gegen ein Mischen von anderen Wellenlängen in den letztlich übertragenen Lichtstrahl zu erlangen.

Wenn die erste sowie zweite F-P-Interferenzplatte getrennt angeordnet werden, so müssen der erste sowie zweite Brechungswinkel nicht notwendigerweise unterschiedlich sein. Falls der Abstand von wenigstens einer der ersten F-P- Interferenzplatten zu den zweiten F-P-Interferenzplatten veränderlich ist, so kann die gleiche Wirkung wie bei unterschiedlichen Brechungswinkeln durch eine Änderung des Abstandes erlangt werden.

Somit werden durch wenigstens zweimaliges Führen des zu spektroskopierenden Lichtstrahls durch die F-P-Interferenzplatten die benachbarten Wellenlängen abgesperrt oder abgeschnitten, womit der Spektroskopie-Wellenlängenbereich erweitert werden kann. Durch mehrmaliges Führen des Lichts wird das Intervall zwischen der spektroskopierten sowie der benachbarten Wellenlänge erweitert und das Wellenlängenauflösungsvermögen gesteigert.

Die Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines F-P- Spektroskops gemäß der Erfindung, wobei neben den F-P-Interferenzplatten eine Kondensorlinse, um das spektroskopierte, durchgelassene Licht zu konzentrieren, zur Anwendung kommt. Das Spektroskop umfaßt absorptionsfreie lichtdurchlässige Platten 71 und 72, Spiegelschichten 73 und 74 mit einem hohen Reflexionskoeffizienten und Teildurchlässigkeit, ein piezoelektrisches Element 75, das die lichtdurchlässigen Platten 71, 72 mit einem vorbestimmten Abstand zwischen diesen zueinander parallel hält, und die Kondensorlinse L.

An das piezoelektrische Element 75 wird eine geeignete Spannung gelegt, um den Abstand zwischen den Spiegelschichten 73 und 74 an den transparenten Platten 71 und 72 einzuregeln, und durch diese Einregelung des Abstandes h zwischen den Spiegelschichten wird ein vorbestimmtes Wellenlängenauflösungsvermögen erlangt.

Bei den F-P-Interferenzplatten der in Rede stehenden Ausführungsform ist, um einen Lichtstrahl 70 zu den Spiegelschichten 73 und 74 wenigstens zweimal unter verschiedenartigen Brechungswinkeln zu lenken, eine der Spiegelschicht 74 an der lichtdurchlässigen Platte 72 gegenüberliegende Ebene 76 unter einem Winkel angeordnet, so daß sie zur Spiegelschicht 74 nicht parallel ist. An der Ebene 76 ist eine Spiegelschicht angebracht, um eine Reflexionsebene zu bilden. Das durch die F-P-Interferenzplatten übertragene Licht 70′ umfaßt nur eine vorbestimmte Wellenlänge und wird durch die Kondensorlinse L konzentriert, d. h., der Lichtstrahl 70 wird zu den mit den Spiegelschichten 73 sowie 74 versehenen, um h beabstandeten F-P-Interferenzplatten unter einem Brechungswinkel R ₁ ′ gerichtet, worauf das übertragene Licht durch die Ebene 76 reflektiert und zu den F-P-Interferenzplatten unter einem Brechungswinkel R ₂ ′ gerichtet wird, so daß die benachbarten Wellenlängen eliminiert werden und das durchgelassene Licht 70′, das nur die vorbestimmte Wellenlänge hat, entnommen wird.

Im folgenden wird auf die Winkeleinstellung zwischen der Spiegelschicht 74 und der Ebene 76 eingegangen.

Ein Brechungskoeffizient eines Mediums zwischen den Spiegelschichten 73 und 74 wird mit n′, ein Brechungskoeffizient der lichtdurchlässigen Platte 72 wird mit n, ein erster Brechungswinkel des Lichtstrahls 70 im Medium zwischen den Spiegelschichten 73 und 74 wird mit R ₁ ′, ein zweiter Brechungswinkel des Lichtstrahls 70 im Medium zwischen den Spiegelschichten 73 und 74 wird mit R ₂ ′, Brechungswinkel in der durchlässigen Platte 72 der Brechungswinkel R ₁ ′ und R ₂ ′ werden jeweils mit R ₁ und R ₂, der Abstand zwischen den Spiegelschichten 73 und 74 wird mit h, ein Winkel zwischen der Reflexionsebene 74 und der Ebene 76 wird mit α, eine Wellenlänge des durchgelassenen Lichts des Lichtstrahls 70 wird mit λ, eine Ordnung der F-P-Interferenz bei dem Brechungswinkel R ₁ ′ wird mit M und eine Ordnung der F-P- Interferenz bei dem Brechungswinkel R ₂ ′ wird mit N bezeichnet. Dann ist:

n′ · sinR ₁ ′ = n · sinR ₁ (8)
n′ · sinR ₂ ′ = n · sinR ₂ (9)

Die Beziehung (7) wird folgendermaßen umgeschrieben:

WennR _1′ = 36,94°
M = 4
N = 5
n′ = 1
n = 1,46 sind, dann wird der Winkel α, wie folgt, erhalten:

Wenn der Winkel α zwischen der Spiegelschicht 74 und der Ebene 76 auf diese Weise festgesetzt wird, so kann der Lichtstrahl, der nur die vorbestimmte Wellenlänge hat, mit einem hohen Wellenlängenauflösungsvermögen entnommen werden. Durch mehrmaliges Richten des Lichtstrahls (bei der in Rede stehenden Ausführungsform geht das zweimal vor sich, obwohl es auch öfters sein kann) auf die F-P-Interferenzplatten mit dem Abstand h wird die Interferenz gesteigert, so daß lediglich die spezifische Wellenlänge mit dem hohen Wellenlängenauflösungsvermögen leistungsfähig und wirksam spektroskopiert wird.

Die Fig. 8 und 9 zeigen weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen von F-P-Spektroskopen, wobei zu Fig. 7 gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.

Bei der Ausführungsform von Fig. 8 wird eine Spiegelschicht an einem Teil einer der Spiegelschicht 73 der lichtdurchlässigen Platte 71 gegenüberliegenden Ebene 80 ausgebildet, so daß eine Reflexionsebene 90 entsteht. Ein Teil 100 einer der Spiegelschicht 74 an der durchlässigen Platte 72 gegenüberliegenden Ebene ist geneigt, wobei an diesem Teil eine Spiegelschicht ausgebildet ist, so daß eine Reflexionsebene entsteht. Der andere Teil 110 wirkt als Durchlaßebene.

Bei dieser Ausführungsform wird der Lichtstrahl 70 zu den Spiegelschichten 73 sowie 74 geleitet und an der Reflexionsebene 100 zurückgeworfen, worauf er wieder zu den Spiegelschichten 73 und 74 gerichtet wird. Der Lichtstrahl wird dann von der Reflexionsebene 90 zurückgeworfen und erneut zu den Spiegelschichten 73, 74 gelenkt, worauf er dann aus der Durchlaßebene 110 als Lichtstrahl 70′ austritt.

Auf diese Weise wird bei dieser Ausführungsform der Lichtstrahl durch die Spiegelschichten 73 und 74 dreimal übertragen, um den Lichtstrahl leistungsfähig zu spektroskopieren.

Bei der Ausführungsform mit dreimaliger Übertragung des Lichtstrahls durch die Spiegelschichten 73 und 74 kann die Halbamplitudenbreite des spektroskopierten Lichts vermindert werden, wenn die zwei Brechungswinkel des Lichtstrahls wenigstens gleich sind. Falls die Reflexionsebene 90 zur Reflexionsebene 73 geneigt ist, so werden die Brechungswinkel im Medium zwischen den Spiegelschichten 73 sowie 74 um Eins erhöht, womit der nutzbare Wellenlängenbereich noch mehr erweitert werden kann.

Bei der Ausführungsform von Fig. 9 umfaßt die lichtdurchlässige Platte 72 von Fig. 7 zwei Glieder, nämlich eine lichtdurchlässige Platte 72′, die parallele Ebenen hat, von denen die eine mit einer Spiegelschicht 74 versehen ist, und ein keilförmiges optisches Glied 160 mit einer Reflexionsebene 150, das an die durchlässige Platte 72′ geklebt ist.

Bei dieser Ausführungsform, wobei der eine Teil der F-P- Interferenzplatten aus zwei Gliedern gebildet ist, können verschiedenartige Brechungswinkel erlangt werden, indem lediglich das keilförmige optische Glied 160 geändert wird.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 7-9 werden F-P- Interferenzspektroskope mit zwei lichtdurchlässigen Platten verwendet. Damit ist das F-P-Interferenzspektroskop gegen die Außentemperatur und Vibrationen beständig sowie stabil, ist es kompakt, da weniger Bauelemente zur Anwendung kommen, ist es bei dem Zusammenbau ohne Schwierigkeiten zu justieren und weist es eine hohe Präzision auf.

Um gewünschte Wellenlängen (0,4 - 0,8 µm) über ein breites Band zu erhalten, ist eine Spiegelschicht (z. B. aus Ag) erforderlich, die eine niedrige Absorption sowie einen hohen Reflexionskoeffizienten in einem solch weiten Bereich aufweist. Wenn eine derartige Schicht jedoch der Luft ausgesetzt wird, so tritt eine chemische Reaktion ein, die zu einer Änderung des Reflexionskoeffizienten führt, was eine niedrige Stabilität zum Ergebnis hat.

Im folgenden werden zwei Ausführungsformen von F-R-Spektroskopen erläutert, bei denen die einen hohen Reflexionskoeffizienten über einen weiten Bereich aufweisende Spiegelschicht geschützt ist, um ein stabiles Ausgangslicht zu liefern. Hierbei sind Abdichteinrichtungen vorgesehen, die die F-P-Interferenzplatten dicht einschließen, so daß ein für ein besonderes Gas bestimmter Raum dicht abgeschlossen wird.

Bei dieser Anordnung und Ausbildung wird

(1) die Zerstörung oder Verschlechterung der hochreflektierenden Spiegelschicht durch Verwendung von Inertgas als Schutzgas für die Interferenzplatten verhindert und
(2) die Stabilität in der Messung aufrechterhalten, weil die Abdichteinrichtungen ein Eindringen von Wärme sowie Staub von außen her unterbinden.

Ein F-P-Spektroskop, bei dem die spektroskopierte Wellenlänge durch Änderung des Drucks eines in den abgedichteten Raum zwischen den F-P-Interferenzplatten eingefüllten Gases (Druckverschiebungsbauart) und nicht durch eine Änderung des Abstandes der F-P-Interferenzplatten verändert wird, ist bekannt. Jedoch ist dieses Spektroskop zu den im folgenden erläuterten Ausführungsformen grundsätzlich verschiedenartig insofern, als:

(1) das Gas bei der Druckverschiebungsbauart dazu dient, auf Grund der Änderung des Brechungskoeffizienten die spektroskopierte Wellenlänge zu verändern, während das Gas bei den Ausführungsformen gemäß der Erfindung dazu dient, die hochreflektierende Schicht zu schützen, und
(2) das Gas bei der Druckverschiebungsbauart eine Druckregeleinrichtung benötigt, während eine solche bei den Ausführungsformen gemäß der Erfindung nicht unbedingt benötigt wird.

Die in Fig. 10 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen F-P-Spektroskops umfaßt: ein Paar von Planplatten 121 und 122, an den Platten 121, 122 durch Aufdampfen ausgebildete hochreflektierende Schichten 123 bzw. 124, einen Antrieb 125, z. B. ein piezoelektrisches Element, zur Regelung des Abstandes zwischen den hochreflektierenden Schichten 123, 124 der Platten 121 und 122, eine Abdichteinrichtung 126, Inertgas 127, eine Gaszufuhr 128 und eine Gasableitung 129. Ferner zeigt die Fig. 10 einfallendes Licht 130, ausfallendes Licht 131, Umlenkspiegel 132 sowie 133 und Wiedereintrittslicht 134.

Bei dieser Ausführungsform wird das zu spektroskopierende Licht durch die F-P-Interferenzplatten wenigstens zweimal mit unterschiedlichen Winkeln geführt, so daß lediglich eine ausgewählte Wellenlänge abgetrennt wird. Durch Ändern des Abstandes zwischen den Platten mit Hilfe des piezoelektrischen Elements 125 können verschiedene Wellenlängen ausgewählt werden. Um die gewünschten Wellenlängen über einen weiten Bereich, z. B. 400-800 nm, zu erzeugen, ist eine Reflexionsschicht, z. B. aus Ag, die eine niedrige Absorption und einen hohen Reflexionskoeffizienten in solch einem weiten Bereich hat, erforderlich. Wenn jedoch eine solche Schicht verwendet wird, so reagiert sie chemisch in Luft, womit der Reflexionskoeffizient und die Fähigkeit zur Spektroskopie herabgesetzt werden.

Gemäß der Erfindung wird die Abdichteinrichtung 126, die ,wenigstens die hochreflektierenden Schichten gegen das Äußere abschließt, vorgesehen und Gas, z. B. N₂-Inertgas, das eine Verschlechterung der hochreflektierenden Schichten verhindert, in den abgedichteten Raum eingefüllt, so daß also Luft nicht mehr an diese Schichten gelangt. Wenn das Volumen des abgedichteten Raumes mit Bezug auf eine auf die Änderung im Abstand der Platten zurückzuführende Volumenänderung so gewählt wird, daß die Druckänderung vernachlässigbar ist, dann ist die Änderung in der Lichtweglänge, die durch eine auf einer Volumenänderung beruhenden Änderung des Brechungskoeffizienten hervorgerufen wird, gänzlich vernachlässigbar.

Um Ausgangswellenlängen in einem Bereich von 400-800 nm zu erhalten, ist es beispielsweise nötig, den Abstand zwischen den Platten um 1-2 nm zu verändern. Wenn Platten von 30 mm² verwendet werden, so liegt die Volumenänderung des zwischen die Platten eingefüllten Gases in der Größenordnung von 10^-1 mm³, was außerordentlich gering ist im Vergleich mit dem zwischen den Platten abzudichtenden Volumen. Demzufolge kann die Druckänderung vernachlässigbar bleiben.

Wenn die Abdichteinrichtung 126 eine wärmeisolierende Wirkung hat, so können die auf einen äußeren Wärmeeinfluß zurückzuführende Druckänderung des Gases zwischen den Platten und die auf die Änderung im Brechungskoeffizienten zurückzuführende Änderung in der Lichtweglänge ebenfalls unterbunden werden.

Darüber hinaus kann die Abdichteinrichtung 126 auch das Eindringen von feinem Staub von außen her verhindern. Die Fig. 11(A) und 11(B) zeigen eine Seiten- bzw. eine Frontansicht (gesehen längs des einfallenden Lichts 130) einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei zu Fig. 10 gleiche Elemente mit denselben Bezugszahlen bezeichnet sind. Die Abdichteinrichtung 126 entfaltet eine wärmeisolierende Wirkung.

Bei dieser Ausführungsform ist die Abdichteinrichtung 126 zwischen den piezoelektrischen Elementen 125 und den Platten angeordnet. Demzufolge wird nicht nur von außen kommende Wärme, sondern auch von den piezoelektrischen Elementen erzeugte Wärme abgesperrt. Das ist besonders wirksam, wenn die piezoelektrischen Elemente 125 viel Wärme erzeugen und deren Einfluß auf den Druck des Gases zwischen den Platten sowie auf den Brechungskoeffizienten groß ist.

Das Inertgas verhindert nicht nur eine Verschlechterung der reflektierenden Schichten, sondern kann auch die Lichtweglänge verändern, indem der Gasdruck durch eine mit hoher Präzision arbeitende Gasdruckregeleinrichtung (Gaszu- und Gasableitung mit hoher Präzision) geändert wird. Eine ausgewählte Wellenlänge kann durch eine Kombination der Antriebsstrecke vom piezoelektrischen Element und des Gasdrucks spektroskopiert werden.

Da die Abdichteinrichtung, um wenigstens die hochreflektierenden Schichten zu schützen, vorgesehen ist und das Gas (z. B. N₂) zum Schutz der Schichten, wenn Inertgas in den abgedichteten Raum eingeführt ist, wirksam ist, wird eine Verschlechterung der hochreflektierenden Schichten durch eine chemische Reaktion mit Luft verhindert und eine stabile, beständige Spektroskopie erreicht.

Claims

1. Verfahren zur Fabry-Perot-Spektroskopie, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Richten eines Lichtstrahls auf eine erste Fabry-Perot- Interferenzplatte unter einem ersten Brechungswinkel und
-Richten des durch die erste Fabry-Perot-Interferenzplatte durchgelassenen Lichtstrahls auf eine zweite Fabry-Perot-Interferenzplatte unter einem zweiten Brechungswinkel.

2. Verfahren zur Fabry-Perot-Spektroskopie, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Richten eines Lichtstrahls auf eine Fabry-Perot-Interferenzplatte unter einem ersten Brechungswinkel und
- erneutes Richten des im ersten Schritt spektroskopierten Lichts auf die Fabry-Perot-Interferenzplatte unter einem zweiten Brechungswinkel.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Brechungswinkel zueinander unterschiedlich sind.

4. Fabry-Perot-Spektroskop, gekennzeichnet
- durch eine Fabry-Perot-Interferenzplatte (17, 71, 72, 121, 122, 160),
- durch eine erste optische, einen Lichtstrahl (40, 70, 130) auf die Fabry-Perot-Interferenzplatte unter einem ersten Brechungswinkel richtende Einrichtung (21) und
- durch eine zweite, das durch die Fabry-Perot-Interferenzplatte spektroskopierte Licht erneut auf die Fabry- Perot-Interferenzplatte unter einem zweiten, zum ersten Brechungswinkel unterschiedlichen Brechungswinkel richtende optische Einrichtung (23, 24, 25, 132, 133).

5. Fabry-Perot-Spektroskop nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine einen Abstand (h) zwischen einem Paar von Reflexionsebenen (73, 74, 90, 100) der Fabry-Perot Interferenzplatte verändernde Steuereinrichtung (22, 30, 75, 125).

6. Fabry-Perot-Spektroskop nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Raum zwischen einem Paar von Reflexionsebenen (123, 124) der Fabry-Perot-Interferenzplatte (121, 122) gegen die äußere Umgebung dicht abschließende Abdichteinrichtung (126) und durch eine Füllung des von der Abdichteinrichtung abgeschlossenen Raumes mit einem geeigneten Inertgas (127).

7. Fabry-Perot-Spektroskop nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fabry-Perot-Interferenzplatte ein erstes lichtdurchlässiges Glied (71) sowie ein zweites lichtdurchlässiges Glied (72) umfaßt, wobei jedes der lichtdurchlässigen Glieder mit einer Reflexionsebene (73, 74) versehen ist, die zueinander parallel und mit einem vorbestimmten Abstand (h) angeordnet sind, daß die zweite optische Einrichtung eine am zweiten lichtdurchlässigen Glied ausgebildete, dessen Reflexionsebene (74) gegenüberliegende sowie zu dieser geneigte Ebene, an der eine Reflexionsschicht (100, 150) ausgebildet ist, aufweist und daß das von der ersten optischen Einrichtung zur Fabry-Perot-Interferenzplatte gerichtete Licht durch das erste lichtdurchlässige Glied tritt.

8. Fabry-Perot-Spektroskop, gekennzeichnet
- durch eine Fabry-Perot-Interferenzplatte (121, 122) mit einem Paar von mit einem vorbestimmten Abstand (h) zueinander parallel und einander gegenüberliegend angeordneten Reflexionsebenen (123, 124),
- durch eine einen Lichtstrahl, der eine Mehrzahl von Wellenlängen hat, auf die Fabry-Perot-Interferenzplatte richtende Einrichtung,
- durch eine einen Raum zwischen dem Paar von Reflexionsebenen gegen die äußere Umgebung dicht abschließende Abdichteinrichtung (126) und
- durch eine in dem von der Abdichteinrichtung abgeschlossenen Raum befindliche, eine Schädigung der Reflexionsebenen (123, 124) verhindernde Gasfüllung (127).

9. Fabry-Perot-Spektroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichteinrichtung ein wärmeisolierendes Bauteil umfaßt.

10. Fabry-Perot-Spektroskop nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfüllung aus einem Inertgas (127) besteht.